Abstimmung von E-Motoren in Kleinhubschraubern

Inzwischen dürften die meisten Motorhersteller draufgekommen sein, dass man teure bürstenlose Motore zusammen mit einer minimalen Beschreibung ausliefern sollte, welche zumindest aussagekräftige technischen Daten enthält. Ein gutes Beispiel ist der Actro Motor, hier dürfen die anderen Hersteller noch (hoffentlich) nachziehen.

Aber bereits mit den Minimalangaben können bereits brauchbare Näherungswerte berechnet werden.

Ziel dieses kurzen Artikels ist es zu erklären, wie man Motor, Akku und Getriebe optimal aufeinander abstimmt um den optimalen Wirkungsgrad zu erreichen. Nur so ist Power und Flugzeit maximal.


Warum muss man genau abstimmen ?

Die Antwort ist einleuchtend:

Wenn man einen Motor und Getriebe für hohe Drehzahl baut, dann aber bei niedriger Drehzahl fliegt, so wird man den Motor unnötig quälen. Hohe Stromaufnahme, große Hitzeentwicklung und schlechte Leistung sind die Folge.

Genauso darf man einen für niedrige Drehzahlen ausgelegten Antrieb nicht überdrehen und so evt dauerhaft zerstören.

Die optimale Auslegung aller Komponenten ist gefragt, und mit ein paar einfachen Tricks ist das gar nicht mal so schwer zu schaffen

Benötigte Angaben:

Vor der Berechnung des Antriebs benötigt man folgende Informationen:

Die Berechnung der Übersetzung (Motorritzel):

Alles was man braucht ist ein Taschenrechner. Um das ganze anschaulich zu gestalten,  machen wir es an einem Beispiel:
Für einen ECO-8 wollen wir das benötigte Motorritzel bestimmen.

Dabei fliegen wir mit 10 Zellen und wollen einen Motor mit einer Leerlaufdrehzahl von 2160 U/min/V verwenden (das ist z.B. der HB20-12 in Sternschaltung, laut Herstellerangaben). Wir wollen mit einer Kopfdrehzahl von 1450 U/min fliegen. Das Hauptzahnrad hat beim ECO-8 genau 180 Zähne.

Die Rechnung geht nun folgendermaßen:

ZähneMotorRitzel = Kopfdrehzahl * ZähneHauptzahnrad / (Leerlaufdrehzahl * Zellenzahl * 0,9)

also

ZähneMotorRitzel = 1450 * 180 / (2160 * 10 * 0,9)
das ergibt: 13,43 oder gerundet 13 Zähne.

Rechnen wir das ganze nochmal für einen 12-Zellen Akkupack:

ZähneMotorRitzel = 1450 * 180 / (2160 * 12 * 0,9)
ergibt: 11,1 oder gerundet 11 Zähne.

In der Praxis kann dieses Ergebnis noch um + oder - 1 Zahn variieren. Das muss man dann im Flug anhand der geringsten Motortemperatur ausprobieren.

Wer keinen ECO-8 hat, der kann die Formel in dieser Form vielleicht besser gebrauchen:

ÜbersetzungHauptgetriebe =  (Leerlaufdrehzahl * Zellenzahl * 0,9) / Kopfdrehzahl

Die Zahl "0,9" soll das Zusammenbrechen des Akkus bei hoher Last berücksichtigen. Wenn man einen Power-Kampfhubi baut, so rechnet man lieber mit 0,8. Wer einen Hubi zum sanften Rundflug baut sollte mit 0,95 rechnen.

Die Berechnung des benötigten Motors:

Die obige Formel kann man natürlich auch umstellen und dann andere Werte berechnen. In diesem Beispiel soll der Hubi fest vorgegeben sein und wir suchen den passenden Motor.

Wir fliegen einen E-Hubi mit einer Hauptgetriebeübersetzung von 15 (das wäre zB der ECO-8 mit einem 12er Ritzel). Wir wollen mit 1600 U/min am Rotorkopf fliegen und dazu 12 Zellen benutzen. Den erforderlichen Motor bestimmt man wie folgt:

Leerlaufdrehzahl = ÜbersetzungHauptgetriebe * Kopfdrehzahl / (Zellenzahl * 0,9)

also

Leerlaufdrehzahl = 15 * 1600 / (12 * 0,9)
ergibt: 2222 U/min/V.

Wir müssen uns also einen Motor suchen, der 2222 U/min/V Leerlaufdrehzahl hat. Für die "0,9" gilt wieder das oben gesagte.

Zusammenfassung:

Wer seinen teuren Hubi und Motor liebt, der sollte mal obige Berechnung durchführen. Wenn man so ungefähr auf die richtigen Werte kommt ist alles im grünen Bereich. Wenn man weit daneben liegt, so quält man seinen Motor und sollte Abhilfe schaffen.

In der Praxis kann der Wert durch verschiedene Faktoren (Akkuqualität, Genauigkeit der Herstellerangaben usw.) durchaus noch um 20% abweichen. Aber man erhält mit dieser Berechnung zumindest einen Anhaltswert um sich dann in praktischen Versuchen an das Optimum heranzutasten.

Achtung: Bei dieser Gelegenheit muss ich darauf hinweisen, dass man den Motor mit der Zellenzahl betreiben sollte für die er gebaut wurde. So sind z.B. die HB-Motore und einige  Actro für 12 Zellen gebaut. Wie obige Rechnung zeigt, kann man den HB20-12 auch mit 10 Zellen fliegen, wenn man ein 13er Ritzel verwendet. Nur dann muss man mit höherer Erwärmung und schlechterer Leistung rechnen, im schlimmsten Fall kann der Motor die Leistung dann gar nicht mehr aufbringen und bricht zusammen. Das liegt an den Motorwicklungen und deren Drahtstärke. Man sollte also die Herstellerangaben bezüglich der Zellenzahl beachten und sogar lieber etwas mehr Zellen nehmen als minimal angegeben ist. Mit zu geringer Spannung quält man Motore und wird keine volle Leistung erreichen.